王嘉琪／文化大學大氣科學系教授，研究專長為熱帶動力、氣候診斷分析、氣候變遷。

 

 

我們常聽到暖化會造成極端降雨，講到「極端降雨」，可能每個人心中浮現的畫面都不太一樣。的確，極端降雨有許多種呈現方式，常見的包含降雨強度變大，也就是每單位時間內的降雨量增大，或強降雨發生的次數變多，弱降雨變少；另外則是季節上的乾濕季變得更分明，例如臺灣及中國南部的春雨有逐年減少的趨勢，加長了自冬天開始的乾季；還有一種是降雨面積變小、乾區變大，這類情況主要是指熱帶大範圍的降雨區，也就是間熱帶輻合區，經過長時間統計後的降雨氣候狀態改變。由此可知，暖化對不同尺度的降雨都有顯著影響。

接著大家可能會想問，為什麼會有這些影響？背後的機制是什麼？其實各種極端降雨的形式都有許多科學家在研究，可參考的資料很多，文獻中也都提出了明確的解釋機制。不同尺度及不同地區的降雨極端化，發生過程也都不盡相同。不過，理解這些機制需要建立在較為深入的大氣科學基礎上，不太容易在一篇文章內完整說明，因此本文僅針對暖化造成「降雨強度」改變的其中一種機制來說明。

這裡先提供一個違反直覺但卻真實的結果：暖化會提高大氣穩定度，讓對流更不容易發生，但是降雨強度卻會變大、強降雨發生的頻率也變高。這樣看似矛盾的結果該怎麼解釋？

 

產生對流的原因

大氣中是否會發生對流，與大氣穩定度有關。我們常用氣溫隨高度的變化率，也就是「溫度垂直遞減率」（lapse rate of temperature）來評估大氣的穩定度。用來測量大氣穩定度的那把尺就是「乾絕熱降溫率」及「濕絕熱降溫率」，這個判斷方法稱為「氣塊法」（parcel method）。

氣塊法的概念，讀者可以假想大氣中有一個氣塊，當這個氣塊垂直移動時，在上升的過程中會因為外界大氣壓力降低而膨脹，在這種狀況下氣塊會非常接近絕熱狀態，也就是沒有任何熱量進出氣塊，所以在膨脹的過程中氣塊溫度會下降，下降幅度可以由熱力學第一定律推導出來。還沒達到飽和的氣塊，是每上升 1 公里下降 10°C，稱為「乾絕熱降溫率」，以圖一中的橘線表示。如果氣塊含有水氣，隨著氣塊上升且膨脹降溫，空氣就有機會達到飽和，其中的水氣將會凝結成雲，這時因為有水氣凝結放出的潛熱來加熱氣塊，氣塊的降溫率會大幅減緩，變成每上升 1 公里下降 5.5～6.5°C 左右，稱為「濕絕熱降溫率」，也就是圖一中的綠線，這個數字也是由熱力學的理論推導而出。

 

▲圖一：圖中的橘線為乾絕熱降溫率，代表氣塊每上升 1 公里下降 10℃；綠線則為濕絕熱降溫率，代表氣塊每上升 1 公里，溫度下降 5.5～6.5℃；黑色實線代表不穩定的大氣的降溫率；黑色虛線代表含有水氣的大氣，處於條件性不穩定的狀態。簡單來說，當大氣中沒有水氣時，降溫率在橘線左側代表大氣不穩定；而降溫率若落在橘線右側，則代表大氣是穩定的。當大氣含有水氣時，則必須視大氣是否飽和，若未飽和須與乾絕熱降溫率比較；飽和時則與濕絕熱降溫率比較。

 

這把測量大氣穩定度的尺該怎麼用呢？其實就是把實際大氣的降溫率拿來跟這兩個數字比較。如圖一所示，當實際大氣的降溫率（以黑色實線表示）大於乾絕熱降溫率，例如每公里下降 12°C，若此時氣塊因某些原因被抬升了 1 公里，氣塊內部的溫度在未飽和的情況下會下降 10°C，氣塊外的氣溫則會下降 12°C，變得比氣塊冷。當氣塊比周圍熱時會產生浮力，使氣塊繼續上升，且越往上走氣塊內外的溫差就越大，浮力也就越大，氣塊將繼續往上衝形成對流，因此可以判斷此時的大氣條件是不穩定的。

相對的，若實際大氣的降溫率小於乾絕熱降溫率（黑色虛線），氣塊在抬升後會變得比環境溫度還冷，便會沉降回原位，大氣就是穩定的。簡單來說，當實際大氣的降溫率落在橘線右側時，大氣是穩定的；落在左側則代表不穩定，這是大氣完全乾燥時的情況。

若是大氣中含有水氣，故事就會變得比較複雜一點。通常含有水氣的大氣，降溫率會介於乾絕熱降溫率與濕絕熱降溫率之間。當我們要使用這把測量穩定度的尺時，必須先看氣塊是否已飽和，若氣塊尚未飽和，需與乾絕熱降溫率比較；一旦氣塊因抬升作用達到飽和，就要改用濕絕熱降溫率。

所以，圖一中的黑色虛線介在橘線與綠線之間，它所代表的大氣狀態對橘線來說是穩定的，但是對綠線來說是不穩定的，這樣的大氣就稱為「條件性不穩定」。也就是說，當氣塊被抬升時，飽和前是穩定的，會傾向於要降回原本的高度，此時若有外力持續推動氣塊，例如氣流碰到山地地形發生舉升作用，強迫把氣塊抬升到可以達到飽和的高度，一旦氣塊飽和就可以改成與綠線比較，此時是落在綠線左側，代表大氣是不穩定的狀態，後續氣塊就可以自己靠著浮力往上跑，稱為「自由對流」。也就是說，此時的大氣環境是帶有一些能量的，但是要符合某些條件才會釋放出這些能量並發生對流。

 

暖化對大氣穩定度的影響

全球暖化在世界各地的影響幅度都不太一樣，在緯度較低的地區，高層暖化幅度比近地面大，而極區則是低層暖化幅度比高層大（圖二）。目前，高層變暖的現象有觀測資料證實，能在氣候模式中模擬出來，也可以利用理論證明，因此是相當可靠的結果。高層變暖較多，表示圖一中的黑色虛線在高層會往右移動，跟橘線比較就是大氣變得更加穩定的意思，也就是說我們需要更強的外力才能把氣塊抬到飽和的高度，所以對流變得較不容易發生。

 

▲圖二：圖為利用臺灣地球系統模式（Taiwan Earth System Model, TaiESM），模擬暖化後的大氣層溫度變化。資料為 1995～2014 年與 1850～1869 年的平均氣溫相減，溫度的單位為絕對溫標，紅色為暖化的區域，橫軸為緯度，左側縱軸為氣壓，右側為大約對應的高度。圖中可見，在緯度 60 度以內的中高對流層，也就是約 4 公里以上的高度，皆有明顯暖化現象，極區的暖化則主要出現在近地面。圖片提供／《科學月刊》，圖片來源／中央研究院環境變遷研究中心李威良博士

 

這樣的結果之所以會跟日常經驗相左，是因為我們人類生活在大氣層底部，容易把天氣炎熱並在午後下起雷陣雨的經驗，直接套用到暖化情境下，才會誤以為暖化後對流會比較容易發生。事實上，我們感受到的天氣炎熱，代表了圖一中的黑色虛線底部正在快速往右移動（加熱），但是高層溫度在半天到一天左右的時間尺度下是變動不大的，這會造成大氣降溫率變大，使大氣變得不穩定並發生對流。

舉這個例子同時想強調一個重要的觀念，全球暖化相對於日常天氣現象，是個時間尺度較長、空間尺度較大的氣候現象，在討論暖化如何影響天氣尺度的現象時，必須依循已知的物理定律，並根據夠多的氣候資料才能建立理論，即便結果可能違反直覺，也不要覺得太奇怪。

我們必須避免以直覺或單一極端天氣事件質疑暖化的真實性，也不宜輕率地把極端天氣事件歸因於全球暖化，例如暖化時仍會發生極端寒冷的天氣，兩者並沒有衝突。除非經過詳細的檢驗，否則我們無法確定暖化是不是造成某次極端事件的主因。以 2021 年的乾旱為例，直接的原因是由於 2020 年缺少梅雨及颱風經過臺灣，缺乏的原因則是太平洋副熱帶高壓過強。但是為什麼 2020 年副熱帶高壓過強呢？實際原因是否與全球暖化有關則還不清楚。

 

暖化對大氣能量的影響

大氣中的能量以三種形式儲存，包含內能^註、水的潛熱、位能，也就是熱力學中說的「焓」（enthalpy）。暖化代表大氣的內能因溫室效應而提高，較暖的空氣能蘊含的水氣量也較多，因此就會提高大氣中的潛熱；同時水氣也是一種溫室氣體，較高的水氣含量會再放大溫室效應，形成正回饋。當空氣變暖後會出現膨脹的效應，使對流層變厚，代表位能提高。

前面提到的大氣對流有個重要的功能，就是釋放出能量，讓大氣回到穩定狀態。暖化後的大氣蘊含較高的能量，雖然對流變得比較不容易發生，一但出現有利的條件誘發了對流，就有較多的能量可以釋放出來，形成更強的對流，造成降雨強度增強，強降雨的頻率也就增多了。

 

仍未解決的問題

全球暖化無疑對大氣穩定度及對流活動有明顯的影響，除了改變降雨強度外，對地球氣候還有一些複雜的後續影響。例如弱降雨變少雖然不至於影響整體雨量，卻會明顯影響到土壤濕度，而土壤濕度又會影響到植物生長及蒸散作用，間接影響到近地面雲霧的形成，最終會改變地表的反照率並影響輻射平衡，也就是改變大氣中的能量收支。

這一連串的過程遠比這段簡短的描述複雜許多，我們需要更多的觀測資料才能清楚描繪這些細節。在缺乏細節的情況下，氣候模式目前只能根據已知的物理定律，再加上我們所能做出的最佳假設來做模擬，因此這些變化會如何回饋給氣候系統仍有許多未知的地方。

 

註：大氣內能表現出來的特徵就是氣溫。當氣溫越高時，內能就越大。

 

延伸閱讀

臺灣的氣象學家們對暖化如何影響水循環有一系列的研究及說明，可參考中央研究院環境變遷研究中心「氣候變遷研究聯盟」的網頁及其相關論文或海報，礙於篇幅僅列出一小部分。

1. 全球水循環與極端降雨，https://reurl.cc/8WpXMy

2. 劉紹臣、許乾忠，全球暖化下極端降水的變化，https://reurl.cc/nEOvd6

3. 周佳等人，降雨的兩極化：雨季越濕、乾季越乾，https://reurl.cc/NpRlmk

 

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本文轉載、修改自《科學月刊》2021 年 6 月號